結構生物化學/蛋白質/蛋白質摺疊問題
“蛋白質摺疊問題”包含三個緊密相關的難題
- 什麼是摺疊密碼？
- 什麼是摺疊機制？
- 我們能否從氨基酸序列預測蛋白質的天然結構？
蛋白質摺疊問題是科學家試圖根據氨基酸序列預測蛋白質 3D 結構時遇到的障礙。雖然已知給定的氨基酸序列幾乎總是摺疊成具有特定功能的 3D 結構，但不可能以高精度預測精確的摺疊模式。瞭解蛋白質摺疊的速度也是科學家面臨的挑戰，因為蛋白質摺疊的速度極快。要理解任何型別的生化反應，都需要分離和確定反應物、中間體和產物的結構。在蛋白質摺疊中，反應物、中間體和產物的分離很複雜，因為蛋白質中的大多數相互作用是非共價的弱相互作用，導致每個反應狀態之間快速相互轉化。因此，中間體的分離難以實現，因此無法進行 X 射線晶體學。此外，蛋白質摺疊研究取得了一些進展，在表徵反應物和中間體方面取得了進展。基於蛋白質摺疊的複雜性，蛋白質摺疊有三個主要問題：摺疊密碼、結構預測以及摺疊速度和機制。
在 20 世紀 80 年代後期，科學家發現存在一種氨基酸程式碼序列，可以以特定方式摺疊蛋白質。蛋白質摺疊的起點確實是初級結構（氨基酸序列），也稱為蛋白質的變性狀態。即使是極少量的變性狀態也能啟用透過蛋白質摺疊途徑進行的成核和增殖。在生理條件下表徵這些蛋白質的變性狀態非常困難，因為必須將蛋白質展開至變性狀態，而沒有變性劑的存在[2, Travagilini-Allocatelli 等]。
最近的研究使用單分子方法使變性狀態的研究達到了新的高度。研究人員使用單分子實驗檢查了蛋白質的線團到球狀轉變，並證明變性狀態隨著變性劑濃度的增加而穩定擴充套件。類似地，在低變性劑濃度下，蛋白質的肽鏈以序列依賴的方式摺疊[2, Travagilini-Allocatelli 等]。
此外，在研究蛋白質摺疊中的中間體方面也取得了進展。例如， engrailed 同源域 (En-HD) 的變性狀態經過工程改造，使其在生理條件下變性，核磁共振 (NMR) 表明它類似於摺疊中間體。一項額外的研究發現，En-HD 中的特定部分，稱為螺旋-轉角-螺旋基序 (HTH)，表現為一個獨立的摺疊域。當檢查完整的蛋白質時，HTH 基序代表 En-HD 摺疊途徑中的摺疊中間體[2, Travagilini-Allocatelli 等]。
儘管蛋白質摺疊仍然是一個謎，但科學家利用這些蛋白質資訊設計了新的材料，例如藥物、試劑和抑制劑，以造福社會。
如今，研究人員透過將氨基酸序列輸入計算機來預測蛋白質的結構。先進的技術和建模軟體使科學家和研究人員能夠形成預測結構。然而，該結構並不準確，因為總是存在一定程度的誤差。儘管如此，這可以加速新藥物的發現，因為可以操縱數字結構。
二級結構預測
二級結構預測是一組技術，旨在根據蛋白質和 RNA 序列的初級結構（即氨基酸或核苷酸序列）預測它們的二級結構。例如，對於蛋白質，預測包括將氨基酸序列的區域指定為α螺旋、β鏈或轉角。預測的成功率是透過將其與應用於蛋白質晶體結構的 DSSP（DSSP 演算法是根據蛋白質的原子解析度座標，將二級結構分配給蛋白質氨基酸的標準方法）演算法的結果進行比較來確定的；對於核酸，它可以從氫鍵模式確定。已經開發出專門的演算法來檢測特定明確定義的模式，例如蛋白質中的跨膜螺旋和捲曲螺旋，或 RNA 中的 microRNA 結構。
三級結構預測
NMR 光譜或 X 射線衍射分析等實驗方法被廣泛用於確定蛋白質的三級結構。但是，透過實驗技術確定蛋白質結構的速度遠低於各種基因組專案鑑定新基因的速度。
從頭蛋白質建模方法已被用於構建 3-D 蛋白質模型。例如，基於物理原理而不是基於以前解決的結構。有許多可能的程式，它們要麼試圖模擬蛋白質摺疊，要麼應用一些隨機方法來搜尋可能的解決方案（例如，合適能量函式的全域性最佳化）。這些程式需要大量的計算資源，因此僅針對微小的蛋白質進行過。要預測更大蛋白質的蛋白質結構，將需要更好的演算法和更大的計算資源，例如強大超級計算機提供的資源。儘管這些計算障礙是巨大的，但結構預測的潛在益處使得從頭預測成為一個活躍的研究課題。
側鏈幾何預測描述了一種計算方法，可以對一系列捲曲螺旋二聚體進行預測。這種方法包括一種雙重策略，它透過分子力學最小化來增強廣泛的構象取樣。
四級結構
對於兩個或多個蛋白質的複合物，如果蛋白質的結構已知或可以高精度預測，則可以使用蛋白質-蛋白質對接方法來預測複合物的結構。
1968 年，Cyrus Levinthal 指出，蛋白質摺疊以精確的方式發生在微秒內，這似乎不現實也不可能。這也稱為 Levinthal 悖論。如今，我們擁有先進的方法，例如突變方法，可以為我們提供摺疊過程中的 phi 和 psi 值，以及氫交換方法，使我們能夠觀察結構摺疊事件。然而，蛋白質摺疊的動力學和機制仍然需要進一步的研究和理解。
Keifhaber 及其同事最近對環形成的研究解決了未摺疊多肽鏈的動力學和動力學。他們使用了不同的模型系統，每個系統代表不同型別的環：端到端、端到內部或內部到內部。他們的實驗表明，端到內部和內部到內部環形成比端到端環形成速度慢。這一發現表明，未摺疊多肽鏈的一部分的鏈運動與鏈的其他部分相耦合。這些動力學實驗還表明，蛋白質摺疊過程發生在不同的時間尺度上，因此環形成存在層次結構[2, Travagilini-Allocatelli 等]。
儘管需要進行額外研究以瞭解蛋白質摺疊中的機制，但有兩種不同的經典機制已被用於描述單域蛋白質的摺疊。第一種機制稱為擴散碰撞模型。遵循這種機制的蛋白質以逐步方式摺疊，涉及不斷增長的二級結構元素。然後這些元素碰撞、結合並加強。例如，有證據表明上面提到的 En-HD 遵循擴散碰撞模型。第二種機制被稱為成核凝聚模型。遵循這種方法的蛋白質被觀察到從無結構的變性狀態摺疊，同時形成二級和三級結構。例如，已證明 En-HD 的一個同源蛋白 hTRF1 遵循這種模型。然而，許多蛋白質表現出擴散碰撞模型和成核凝聚模型的特徵途徑[2, Travagilini-Allocatelli 等]。
蛋白質摺疊的起點：變性狀態
在變性狀態下，結構可以觸發成核和傳播，這可能會貫穿整個摺疊路徑。在物理條件下表徵蛋白質的變性狀態是一項艱鉅的任務，因為需要在不新增變性劑的情況下不利於天然狀態的種群。化學變性狀態在高變性劑濃度下可能表現得像無規線團聚合物。Sherman 和 Haran 使用單分子實驗分析了蛋白質 L 的線團到球狀體的轉變，並表明隨著變性劑濃度的增加，蛋白質的變性狀態增加。Eaton 及其同事還比較了這兩種蛋白質的變性狀態的大小和動力學，顯示出類似的 64 和 66 個氨基酸長度。
蛋白質摺疊的機制
有兩種不同的機制用於描述單域蛋白質的摺疊。一些蛋白質，如枯草桿菌核糖核酸酶，已被描述為以逐步的方式摺疊，快速形成不同的核，以及它們的碰撞和合並。還有一些蛋白質，以胰凝乳蛋白酶抑制劑 2 為例，屬於成核凝聚模型。小型 αβ 蛋白結構域的摺疊路徑已被證明不同於純成核凝聚和擴散碰撞，但仍然顯示出兩種模型的特徵。
摺疊穩定性和功能
單個蛋白質片段的固有穩定性是決定給定蛋白質摺疊機制的關鍵因素。很多時候，細胞的生命依賴於其組成蛋白質能夠摺疊成 3D 結構的能力，而這些結構對於其功能至關重要。細胞中摺疊功能蛋白的數量取決於幾個因素，例如蛋白質生物合成和降解的速率。
有一個問題是，完全摺疊的蛋白質的穩定性和摺疊是否與其活性相關。變構可能是蛋白質摺疊與功能之間的橋樑。變構效應涉及配體結合位點之間的通訊，這對許多生理過程至關重要。由於變構是一個熱力學過程，因此不僅要考慮構象的變化，還要考慮平均構象動力學的變化。
因此，需要更多研究來全面理解蛋白質摺疊機制，並找到解決蛋白質摺疊問題的方案。
- Ken A Dill, S Banu Ozkan, Thomas R Weikl, John D Chodera 和 Vincent A Voelz。*蛋白質摺疊問題：何時能解決？*結構生物學當前觀點 2007 年。
- Carlo Travaglini-Allocatelli, Yiva Ivarsson, Per Jemth 和 Stefano Gianni。*球狀蛋白的摺疊和穩定性及其對功能的影響* 結構生物學當前觀點 2009 年，19:3-7。
- Mount DM (2004)。生物資訊學：序列和基因組分析。2. 冷泉港實驗室出版社。 ISBN 0879697121
- Zhang Y (2008)。“蛋白質結構預測的進展與挑戰”。Curr Opin Struct Biol 18 (3): 342–8。doi:10.1016/j.sbi.2008.02.004。PMC 2680823。 PMID 18436442